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Modélisation et étude de performance de l’équilibrage de charge LTE par ajustement dynamique des
paramètres du handover
Mohamed Escheikh, Bilel Abbes, Ahmed Ameur, Kamel Barkaoui, Hana Jouini
To cite this version:
Mohamed Escheikh, Bilel Abbes, Ahmed Ameur, Kamel Barkaoui, Hana Jouini. Modélisation et
étude de performance de l’équilibrage de charge LTE par ajustement dynamique des paramètres du
handover. Modélisation des Systèmes Réactifs (MSR 2015), Nov 2015, Nancy, France. �hal-01224225�
Mod´ elisation et ´ etude de performance de l’´ equilibrage de charge LTE par ajustement
dynamique des param` etres du handover
Mohamed Escheikh
1, Bilel B. Abbes
2, Ahmed Ameur
3, Kamel Barkaoui
4and Hana Jouini
51 SYS’COM, ENIT, Tunis, Tunisia mohamed.escheikh@enit.rnu.tn
2 SYS’COM, ENIT, Tunis, Tunisia bilel.acdm@gmail.com
3 SYS’COM, ENIT, Tunis, Tunisia ahmed.4@gmail.com
4 CEDRIC, CNAM, Paris, France kamel.barkaoui@cnam.fr
5 SYS’COM, ENIT, Tunis, Tunisia hana.juini@gmail.com
R´esum´e
Nous nous proposons dans cet article d’impl´ementer par simulation `a travers ns-3 [1]
des fonctionnalit´es Self-Organizing Networks (SON) d’auto-optimisation se rapportant `a l’´equilibrage de charge pour les syst`emes radio-cellulaires mobiles LTE. L’impl´ementation est r´ealis´ee au travers deux algorithmes ajustant dynamiquement les param`etres du hando- ver (HO) en se basant sur les mesures de la puissance re¸cue du signal de r´eference (RSRP).
Cet ajustement est effectu´e en fonction aussi bien de la charge de la cellule congestionn´ee que celle des cellules voisines moins charg´ees et dispos´ees `a coop´erer pour une meilleure r´epartition de la charge.
Les r´esultats num´eriques obtenus par simulation concernant les deux algorithmes d’´equilibrage de charge impl´ement´es et un algorithme ´etalon de handover (d´ej`a impl´ement´e dans ns-3) bas´e sur l’´ev`enement A3 [2] mettent en ´evidence les avantages que procure l’´equilibrage de charge en termes de throughput global (dans l’ensemble du r´eseau), de taux de pertes et de nombre de handovers. Ils montrent aussi les compromis n´ecessaires entre ces diff´erentes m´etriques pour aboutir `a un ´equilibrage de charge performant.
1
Table des mati` eres
1 Introduction 2
2 Architectures et fonctionnalit´es SON dans les r´eseaux LTE 4 2.1 Architectures SON . . . 4 2.2 Fonctionnalit´es SON . . . 6 2.3 Equilibrage de charge dans les r´eseaux mobiles (MLB) LTE par ajustement dynamique
des param`etres du handover . . . 7
3 Algorithmes d’´equilibrage de charge propos´es 8
4 Simulation et r´esultats num´eriques 11
4.1 Mod`ele de simulation . . . 12 4.2 R´esultats num´eriques . . . 12
5 Conclusion 16
1 Introduction
Ces derni`eres ann´ees la demande en trafic dans les r´eseaux radio-cellulaires a ´evolu´e de mani`ere vertigineuse. Pour faire face `a cette demande, l’organisme de standardisation inter- national 3rd Generation Partnership Project (3GPP) a introduit le nouveau syst`eme radio cellulaire Long Term Evolution (LTE). Ce dernier adopte une architecture simplifi´ee tout-IP et devrait fournir une efficacit´e spectrale qui est environ deux `a trois fois plus ´elev´ee que celle du 3GPP version 6 [3]. LTE offrira aussi jusqu’`a 100 Mbit/s de d´ebit sur la liaison descendante (DL) avec une largeur de bande spectrale qui peut atteindre 20 MHz. Les syst`emes LTE uti- lisent la technique de multiplexage et de codage des donn´ees Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) dans la transmission sur la liaison descendante de l’interface radio et la technique Single carrier Frequency Division Multiplexing Access (SC-FDMA) dans la trans- mission sur la liaison montante (UL). Pour ce type de r´eseau, les principaux d´efis concernent la r´eponse aux besoins utilisateurs en terme de throughput, d´elais de bout en bout et de qua- lit´e de service (QoS) exig´ee, surtout pour les trafics temps r´eel. Ces d´efis concernent aussi la satisfaction des exigences des op´erateurs radio cellulaires en termes de gestion des ressources radio (RRM), de maˆıtrise et de rationalisation des d´epenses op´erationnelles, mais aussi en terme d’efficacit´e globale du r´eseau. Afin de relever ces d´efis, les technologies SON ont ´et´e introduites
dans les r´eseaux LTE `a partir de la Release 9 des sp´ecifications 3GPP [4]. Ces technologies visent `a atteindre un haut niveau de performance op´erationnelle via l’automatisation d’un cer- tain nombre de tˆaches telles que la configuration, l’optimisation et la gu´erison (r´eparation) de mani`ere `a faire b´en´eficier les r´eseaux LTE des vertues de l’auto-organisation. L’automatisation concerne particuli`erement l’ajustement dynamique des param`etres r´eseau en se basant sur des mesures radio. Ceci a pour objectif de d´eployer rapidement et de mani`ere flexible les stations de base (ENodeBs) et d’´eviter ainsi des ajustements manuels souvent coˆuteux, fastidieux, inef- ficaces et sources d’erreurs. Il s’agit aussi de r´eduire les d´epenses d’investissement (CAPEX) et op´erationnelles (OPEX) afin de faire face `a la concurrence inter-op´erateurs.
Nous nous focalisons dans cet article sur une composante cl´e des technologies SON `a savoir l’auto-optimisation et plus particuli`erement l’´equilibrage de charge dans les r´eseaux radio mo- biles LTE. Plusieurs travaux de recherche ont ´et´e propos´es dans la litt´erature pour traiter le probl`eme d’´equilibrage de charge entre les cellules LTE et peuvent ˆetre classifi´ees selon deux cat´egories :
- Dans la premi`ere cat´egorie les cellules surcharg´ees (hot-spot cells) tentent d’emprunter des ressources disponibles (des canaux radio) aupr`es des cellules voisines les moins charg´ees et dis- poser `a coop´erer [3]. Yao-Tien Wang et al. proposent dans [5] une m´ethode qui s’inscrit dans cette cat´egorie et qui se base sur les r´eseaux de neurones et la logique floue. La m´ethode pro- pos´ee performe un certain nombre de capacit´es relatives `a l’apprentissage, l’optimisation, la robustesse et la tol´erance aux pannes. Elle vise `a satisfaire de mani`ere efficace les exigences en termes de qualit´e de service des trafics multim´edia.
- Dans la deuxi`eme cat´egorie les cellules surcharg´ees tentent de transf´erer le trafic en exc`es vers les cellules voisines les moins charg´ees en ajustant dynamiquement les param`etres de handover (hyst´er´esis, Time To Trigger (TTT),...) ou en utilisant la technique de cell breathing [6]. Le principe de cette derni`ere consiste `a retr´ecir la couverture cellulaire au fur et `a mesure que la charge augmente. Dans la litt´erature, plusieurs travaux de recherche ont trait´e ce sujet. Dans [7, 8], de nouveaux algorithmes de contrˆole de puissance ont ´et´e propos´es afin d’ajuster dyna- miquement la port´ee aussi bien des cellules sur-exploit´ees que des cellules sous-exploit´ees. Les auteurs dans [16] ont propos´e un algorithme pour am´eliorer les performances conjointes du HO et du load balancing (LB) en introduisant un facteur de co-satisfaction pond´er´e. Une approche de transfert classique pour impl´ementer l’´equilibrage de charge est pr´esent´ee dans [9]. Elle choi- sit pour cela comme cellule source celle ayant le taux d’utilisation le plus ´elev´e des blocs de
ressources physiques (PRB) et la cellule voisine cible celle ayant le taux d’utilisation de PRB le plus bas. Dans [10], l’offset (d´ecalage) sp´ecifique de la cellule est ajust´ee automatiquement en fonction de la charge de la cellule source et de celle de la cellule voisine cible. Dans [11]
les auteurs proposent une m´ethode d’estimation de la charge apr`es r´ealisation du handover.
Cette m´ethode est bas´ee sur la pr´ediction du SINR et sur la mesure de la qualit´e du signal de l’utilisateur. La suite de ce document est organis´e comme suit : dans la section 2 nous allons rappeler succinctement les architectures et les fonctionnalit´es SON dans les r´eseaux LTE. Nous d´etaillons dans cette mˆeme section l’´equilibrage de charge par ajustement dynamique des pa- ram`etres du HO. Dans la section 3 nous d´etaillons les algorithmes de LB propos´es. La section 4 sera consacr´ee aux r´esultats des simulations effectu´ees. La derni`ere section sera d´edi´ee `a la conclusion et les perspectives de ce travail.
2 Architectures et fonctionnalit´ es SON dans les r´ eseaux LTE
2.1 Architectures SON
On distingue trois types d’architectures SON dans les r´eseaux radio cellulaires [12] qui essayent, chacune d’elle, de trouver un compromis entre stabilit´e, scalabilit´e et agilit´e. Avant de d´etailler le principe de chaque architecture, nous nous proposons de rappeler les d´efinitions relatives `a stabilit´e, scalabilit´e et agilit´e [13] :
1. Scalabilit´e : la scalabilit´e d’une solution concerne sa capacit´e `a r´eduire sa complexit´e et
`
a maintenir ses fonctionnalit´es afin de fournir de bonnes performances mˆeme pour des syst`emes `a large ´echelle.
2. Stabilit´e : une solution est consid´er´ee comme stable si elle ´evite des oscillations (exemple d’instabilit´e : ph´enom`ene de ping-pong lors de l’ex´ecution des handovers dans les r´eseaux radio cellulaires).
3. Agilit´e : l’agitilit´e est aussi une caract´eristique cl´e des syst`emes auto-organis´es qui traduit la capacit´e d’adaptation d’un syst`eme, dans son environnement op´erationnel, aux chan- gements. Ainsi, un algorithme agile ne doit pas r´eagir trop rapidement aux changements temporaires dans le syst`eme afin d’´eviter des oscillations importantes entre ses ´etats.
2.1.1 Architecture SON centralis´ee (C-SON)
Dans l’architecture SON centralis´ee (Figure 1.a) les algorithmes sont ex´ecut´es au niveau du syst`eme de gestion r´eseau (NMS). Le principal avantage de cette approche est que les algorithmes SON peuvent recueillir des informations de la part de toutes les entit´es du r´eseau en consid´eration. Ceci signifie qu’il est possible d’optimiser conjointement les param`etres de toutes les fonctions SON centralis´ees. La finalit´e ´etant de fournir une optimisation globale procurant d’avantage de stabilit´e. Cette derni`ere est surtout efficace pour des r´eseaux ayant des caract´eristiques qui varient relativement lentement. L’architecture SON centralis´ee permet aussi de faciliter la coordination entre les fonctions SON. En revanche, les inconv´enients de C- SON se manifestent particuli`erement par des temps de r´eponse lent, un trafic dorsal (backbone) important et un point d’´echec singulier. La dur´ee importante des temps de r´eponse et la manque d’agilit´e peut affecter le rythme d’adaptation du r´eseau est caus´ee des probl`emes d’instabilit´e.
2.1.2 Architecture SON distribu´ee (D-SON)
Dans les architectures SON distribu´ees (Figure 1.b) les algorithmes sont plutˆot ex´ecut´es dans les noeuds du r´eseau. Ainsi les ´echanges des messages SON peuvent s’effectuer directement entre les ENodeBs du r´eseau LTE. Contrairement `a l’architecture centralis´ee, l’architecture D- SON procure plus de dynamique pour les fonctionnalit´es SON et s’adapte plus rapidement aux changements dans le r´eseau (agilit´e). Autre avantage de la solution D-SON est sa capacit´e de passage `a l’´echelle (scalabilit´e). N´eanmoins, les optimisations effectu´ees au niveau des cellules n’aboutiront pas forc´ement `a des optimisations globales ce qui risque d’engendrer des instabilit´es ind´esirables.
2.1.3 Architecture SON hybride
L’architecture hybride (Figure 1.c) ex´ecute les algorithmes SON aussi bien au niveau du syst`eme de gestion du r´eseau qu’au niveau des ´el´ements r´eseau. Ce type d’architecture essaye de tirer les avantages des deux architectures pr´ec´edentes sans en reconduire les inconv´enients, ce qui n’est pas toujours facile `a d´efinir.
Figure 1 – Architectures SON pour les r´eseaux LTE
2.2 Fonctionnalit´ es SON
Les Fonctionnalit´es SON dans LTE comprennent l’auto-configuration, l’auto-diagnostic, l’auto-gu´erison et l’auto-optimisation. Les technologies SON ont pour objectif l’ajustement automatique des param`etres r´eseau, en se basant sur des rapports de mesures des UEs et de l’ENodeB, afin de garantir une meilleure qualit´e de service du r´eseau et de performer de meilleures prestations de services pour l’UE.
2.2.1 Auto-optimisation SON
L’auto-optimisation est une collection d’algorithmes qui ont pour objectif de maintenir la qualit´e et les performances du r´eseau avec le minimum d’interventions humaines. Les fonctions d’auto-optimisation d´eclenchent automatiquement et dynamiquement, si n´ecessaire, des actions d’optimisation sur les ´el´ements r´eseaux affect´es. Parmis les fonctions les plus importantes de l’auto-optimisation on distingue l’optimisation de l’´equilibrage de charge dans les r´eseaux mo- biles (MLB) et l’optimisation de la robustesse de la mobilit´e (MRO). Cette derni`ere est utilis´ee conjointement avec le MLB pour assurer plus de stabilit´e et att´enuer au mieux le ph´enom`ene du ping-pong. L’ajustement des param`etres du MLB et du MRO peuvent ˆetre sujet `a des objectifs conflictuels souvent harmonis´es `a travers la recherche de compromis. Dans cet article nous nous
int´er´essons `a l’´equilibrage de charge MLB.
2.3 Equilibrage de charge dans les r´ eseaux mobiles (MLB) LTE par ajustement dynamique des param` etres du handover
Avant de d´etailler le principe du MLB par ajustement dynamique des param`etres du han- dover, nous allons rappeler le principe du transfert inter-cellulaires dans les r´eseaux LTE.
2.3.1 Handover dans les r´eseaux LTE
Le handover est l’une des principales proc´edures cl´es des r´eseaux mobiles radio-cellulaires pour veiller `a ce que les utilisateurs se d´eplacent librement `a travers le r´eseau tout en maintenant la connectivit´e et l’acc`es continu aux services [14]. Comme le taux de r´eussite du handover est un indicateur cl´e de la performance du r´eseau, il est essentiel que cette proc´edure se passe aussi vite et aussi efficacement que possible. L’optimisation du handover visent `a ajuster dynamiquement ses param`etres (offset, hyst´er´esis,...). Dans les r´eseaux LTE, plusieurs ´ev´enements de mesures peuvent d´eclench´es le [15]. Dans cette article, nous avons focalis´e sur l’´ev´enement A3. Ce dernier stipule que la diff´erence entre le niveau du signal re¸cu de la cellule courante et celui de la cellule voisine doit ˆetre sup´erieur `a un seuil donn´e.
2.3.2 Equilibrage de charge dans les r´eseaux mobiles LTE
Dans les r´eseaux LTE, la demande de trafic de certaines cellules peut ˆetre beaucoup plus
´elev´ee que le niveau acceptable, tandis que d’autres cellules peuvent avoir assez de ressources pour servir plus d’utilisateurs, ce qui entraˆınerait un d´es´equilibre de charge et l’insatisfaction des utilisateurs.
Pour d´eclencher l’´equilibrage de charge entre deux cellules (une cellule A surcharg´ee (hot- spot) et une cellule B voisine moins charg´ee) (Figure 2), deux conditions doivent ˆetre v´erifi´ees :
– le taux de charge de la cellule A source d´epasse un seuil pr´ed´efini (cas des hot-spots).
– la cellule B voisine poss`ede suffisamment de ressources disponibles pour accepter de coop´erer et prendre en charge l’exc`es de trafic de la cellule A.
Aussitˆot ces conditions sont v´erifi´ees, la cellule A s´electionne, dans un premier temps, les utili- sateurs appropri´es parmi ceux qui lui sont attach´es pour basculer `a la cellule B. Les utilisateurs ajusteront, dans un deuxi`eme temps, leurs propres param`etres (handover, res´election, etc.) cor- respondant `a la cellule B.
Dans la section suivante, nous allons d´ecrire le principe des algorithmes de l’´equilibrage de charge dans les r´eseaux mobiles(MLB) que nous avons propos´es et impl´ement´es dans ns-3.
3 Algorithmes d’´ equilibrage de charge propos´ es
Figure2 – Equilibrage de charge avec ajustement dynamique du handover
Les deux algorithmes de LB propos´es (Alg LB1 et Alg LB2) reposent sur l’adaptation dy- namique des param`etres du handover (valeur de l’hyst´er´esis) (Figure 2). Le handover dˆu au LB concerne le passage de la cellule courante (cellule A surcharg´ee) `a une ou plusieurs cellules voisines (cellule B moins charg´ee) et dispos´ees `a coop´erer. Les performances de ces deux algo- rithmes seront compar´ees `a celles d’un algorithme ´etalon du handover sans LB (Alg sans LB).
Notons que les algorithmes aussi bien avec et sans LB sont bas´es sur la mesure de la puissance du signal re¸cu (RSRP) et utilisent l’´ev´enement A3 de la sp´ecification 3GPP [2] pour d´eclencher le handover. L’origine du HO dans les r´eseaux impl´ementant le LB peuvent ˆetre de deux natures diff´erentes. La premi`ere concerne la r´ealisation de l’´ev´enement A3, alors la deuxi`eme se rapporte
`
a une disparit´e de charge entre deux cellules voisines. Avant de d´etailler le principe des deux algorithmes de LB, nous allons dans ce qui suit d´efinir quelques notations et seuils pr´eliminaires qui seront utilis´es commun´ement dans la description des deux algorithmes Alg LB1 et Alg LB2.
Notations et seuils pr´eliminaires : Soient :
– VAR(i) (Available Resources) la quantit´e des ressources disponibles dans lai`emecellule.
– VT R(i) (Total Resources) la quantit´e des ressources totales dans la ieme` cellule. Notons par convention que i = 0 est l’indice indiquant la cellule courante et i > 0 est l’indice d’une cellule voisine d’indicei.
– VAR(i)/VT R(i) la quantit´e relative (en %) de ressources disponibles dans la cellulei.
– ThP reLB le seuil pr´ed´efini de la demande d’initiation du LB (Figure 3).
– ThpostLB le seuil de d´esactivation du LB.
– ThAvailLB le seuil d’acceptation de la demande du LB.
La cellule courante est suppos´ee surcharg´ee si la condition suivante est remplie :
VAR(0)/VT R(0)< T hP reLB (condition.1) Si cette condition est v´erifi´ee, la proc´edure de LB est d´eclench´ee. La cellule surcharg´ee configure dynamiquement les nouveaux seuils d’hyst´er´esis de handover des diff´erentes cellules voisines en fonction de leurs quantit´es relatives de ressources disponibles. Ces nouveaux seuils sont calcul´es
`
a partir de l’´equation suivante [16] :
T hHys(0, i) =αiT hHys(0),(0≤αi≤1) (1) avec :
αi=
0, si VVAR(i)
T R(i) > T hP ostLB
βi, si T hAvailLB≤ VVAR(i)
T R(i)P reLB
1, si VVAR(i)
T R(i) < T hAvailLB
et :
βi=
1− T hAvailLB−
VAR(i) VT R(i)
T hAvailLB−T hP ostLB, pour Alg LB1 0.5, pour Alg LB2
Avec ThHys(0) le seuil d’hyst´er´esis de fandover de la cellule courante avant l’activation du LB. ThHys(0, i) est le nouveau seuil d’hyst´er´esis de handover de passage de la cellule courante (d’indice 0) vers la cellule voisine (d’indicei).
Tant que la condition de LB est v´erifi´ee (Condition. 1)), la cellule courante met `a jour dans un premier temps le seuil d’hyst´er´esis de handover ThHys(0, i) et l’envoie aux UEs actifs
Figure3 – Condition de d´eclenchement de l’algorithme de LB dans la cellule courante
(attach´es `a la dite cellule) via un message de contrˆole de mesures. A leur tour, les UEs mettent
`
a jour les nouveaux seuils d’hyst´er´esis aussi longtemps que la condition sur l’´ev´enement A3 est v´erifi´ee. D’autre part, aussitˆot la condition. 2 est v´erifi´ee, le LB est d´esactiv´e.
VAR(0)/VT R(0)> T hP ostLB (Condition.2)
A partir de la description pr´ec´edente, on remarque que le LB n’est effectif que si les deux conditions (condition. 1 sur la cellule courante et condition. 3 sur la cellule voisine) sont v´erifi´ees :
VAR(i)/VT R(i)≥T hAvailLB (Condition.3)
Ainsi, on peut distinguer une alternance entre des p´eriodes sans LB et des p´eriodes avec LB en fonction de l’´evolution dans le temps de la charge relative aussi bien de la cellule courante que celle des cellules voisines.
Notons qu’une fois la condition de d´esactivation de la proc´edure de LB (Condition. 2) est v´erifi´ee, la cellule courante devra restaurer la valeur originale d’hyst´er´esis par l’envoi d’un autre message de contrˆole de mesure aux UEs.
La Figure 4 d´ecrit le principe des algorithmes de LB propos´es.
Figure4 – Principe des algorithmes de LB impl´ement´es dans ns-3
4 Simulation et r´ esultats num´ eriques
Pour mettre en ´evidence les performances des algorithmes de LB (Alg LB1 et Alg LB2), nous allons comparer leurs performances `a celles de l’algorithme sans LB (Alg sans LB) pour diff´erentes densit´es d’UEs (donc pour diff´erentes charges globales du r´eseau). Alg sans LB impl´emente uniquement l’´ev´enement A3 de la sp´ecification 3GPP et ne consid`ere pas l’´equilibrage de charge. Cet algorithme est utilis´e dans notre cas d’´etude comme un algorithme ´etalon.
Alg LB1 et Alg LB2, associ´es `a l’´ev´enement A3, ont pour objectif d’assurer une meilleure r´epartition de la charge globale et de r´eduire au mieux les pertes dans le r´eseau.
Etant donn´´ e que les algorithmes de LB sont impl´ement´es au niveau des secteure des eN- odeBs, nous nous focalisons sur les performances du lien descendant (DL).
4.1 Mod` ele de simulation
Nous avons choisi un mod`ele de simulation constitu´e de trois eNodeBs ´equiespac´ees de distance ´egale `a 500m. Chaque eNodeB inclut trois secteurs. Les algorithmes de LB sont impl´ement´es de mani`ere distribu´ee (D-SON) dans chaque secteur. Ces algorithmes ajustent dynamiquement les param`etres du handover (hyst´er´esis et Time To Trigger (TTT)) en fonc- tion de la charge. TTT est une temporisation utilis´ee dans la sp´ecification 3GPP `a fin de procurer d’une part plus de robustesse et d’att´enuer au mieux d’autre part le ph´enom`ene de
”Ping-Pong”. Dans les sc´enarios de simulation ´etudi´es, nous avons focalis´e sur l’ajustement dy- namique de l’hyst´er´esis dans un intervalle variant entre 0 db `a 3 db avec un pas de 0.5 db pour des valeurs fixes du TTT.
Le Tableau 1 r´ecapitule la correspondance entre les sch´emas de modulation et de codage (MCS) (utilis´es dans notre mod`ele de simulation) et la capacit´e totale d’une cellule en Mbps pour une bande passante ´egale `a 5Mhz (25RBs).
MCS Modulation capacit´e totale d’une cellule (en Mbps)
[0..9] QPSK 13.2
[10..16] 16QAM 26.4
[17..28] 64QAM 39.6
Table1 – Correspondance entre le MCS et la capacit´e totale d’une cellule en Mbps pour une bande passante ´egale `a 5Mhz (25RBs)
Le Tableau 2 r´ecapitule les principaux param`etres de simulation utilis´es dans notre ´etude de cas :
Dans le paragraphe suivant, nous allons pr´esenter les r´esultats num´eriques relatifs `a la simulation du sc´enario envisag´e.
4.2 R´ esultats num´ eriques
La Figure 5 montre que le throughput global moyen fourni par les algorithmes Alg LB1 et Alg LB2 est plus important que celui fourni par l’algorithme Alg sans LB pour diff´erentes charges de trafic (37, 56, 75 UEs). Ceci se justifie par le principe mˆeme du LB qui favorise le transfert d’une partie de la charge des cellules congestionn´ees vers des cellules voisines moins charg´ees. Ainsi, le risque de perte du trafic en exc`es dans les cellules surcharg´ees sera r´eduit,
Param`etre Valeur
Dur´ee de la simulation 100
Nombre d’eNodeB 3 (9 secteurs)
Distance entre les eNodeBs 500 m
Puissance transmise par un eNodeB en DL 46 dBm
Nature du trafic TCP
Densit´e du UE (37/56/75 UEs) 2/6/8 * E-05
Vitesse minimale de d´eplacement de UE (60 Km/h) 16.6667 m/s Vitesse maximale de d´eplacement de UE (60 Km/h) 16.6667 m/s
Bande passante dans UL et DL 5 MHz (25 RBs)
Time To Trigger 256
Valeur par d´efaut de l’hyst´er´esis 3dB Marge d’hyst´er´esis avec LB [0˜3dB]
ThP re−LB 0.2
ThAvail−LB 0.3
ThP ost−LB 0.4
Table 2 – Param`etres de la simulation
Figure5 – Throughput global moyen en DL en fonction de nombre de UEs
et le cas ´ech´eant ´evit´e, en r´epartissant au mieux cet exc`es entre les cellules voisines les moins charg´ees. Une autre remarque int´eressante qu’on peut faire `a partir de la Figure 5 est que le LB
certes il am´eliore le throughput global pour diff´erentes charge mais cette am´elioration devient minime pour de forte charge. Ceci peut ˆetre interpr´et´e que pour une telle charge il y a de fortes chances que les cellules voisines d’une cellule surcharg´ee, sollicitant leurs coop´eration pour un
´eventuel ´equilibrage de charge, soient elles mˆeme surcharg´ees. Ceci correspond intuitivement `a une condition 2 tr`es probablement non v´erifi´ee.
Figure6 – Throughput moyen par secteur en DL
Nous avons aussi ´etudi´e la r´epartition du throughput moyen par secteur en DL pour diff´erentes charges de trafic (37, 56 et 75 UEs). On remarque que l’impl´ementation du LB am´eliore le throughput de la plupart des secteurs (2, 4, 7, 8 et 9) (Figure 6). Les r´esultats relatifs aux secteurs 1, 3, 5 et 6 sont mitig´ees. On entend par mitig´e que l’un des 2 algorithmes de LB pr´esente un meilleur r´esultat que celui sans LB.
Grˆace au LB le d´ebordement dans les cellules surcharg´ees est substantiellement diminu´e dans la mesure ou la charge en exc`es est transf´er´ee vers les cellules voisines les moins charg´ees.
Ceci a pour cons´equence, la r´eduction significative du taux de perte par rapport au sc´enario sans LB (Figure 7).
D’apr`es la Figure 7, le taux de perte est une fonction croissante de la charge du r´eseau. Avec le LB, les pertes peuvent survenir dans une cellule si cette derni`ere est relativement charg´ee et ne trouve pas de cellule voisine dispos´ee `a coop´erer. Autrement dit le taux de perte d´epend de la charge de la cellule courante et de celle des cellules voisines. Le LB minimise ainsi le taux de perte car on a une meilleure r´epartition de la charge.
Figure7 – Taux de perte relatif en fonction de la charge
Figure8 – Nombre de Handovers r´eussis en fonction de la charge du r´eseau
La Figure 8 montre l’´evolution du nombre de handovers r´eussis en fonction de la charge pour les trois types d’algorithmes impl´ement´es. La charge est quantifi´ee par le nombre de UEs actifs.
On remarque aussi `a partir de la Figure 8 que le nombre de handovers est sensiblement plus important pour les deux algorithmes avec LB que pour l’algorithme sans LB. Ceci s’explique
par le fait que lors du d´eclenchement du LB, un transfert du trafic en exc`es dans la cellule surcharg´ee vers les cellules voisines les moins charg´ees est effectu´e. Ce transfert de charge est r´ealis´e grˆace `a l’ajustement de la valeur d’hyst´er´esis qui favorise les handovers. On peut aussi mener `a partir de la Figure 8 une comparaison entre les deux algorithmes utilisant le LB.
On remarque surtout pour les charges relativement faibles que le nombre de handovers pour l’algorithme Alg LB1 est notablement inf´erieur `a celui pour l’algorithme Alg LB2.
D`es que les ressources disponibles sont au del`a du seuil ThAvail LB on remarque que :
- Pour Alg LB1 : il y a une diminution progressive et de mani`ere lin´eaire de la va- leur d’hyst´er´esis (et augmentation ainsi de la taille de la cellule voisine) aussitˆot le d´eclenchement du LB est initi´e et la charge disponible au niveau de la cellule voisine est sup´erieure `a ThAvail LB.
- Pour Alg LB2 : la valeur de l’hyst´er´esis de la cellule voisine diminue brusquement, ce qui favorise d’avantage le nombre de handovers par rapport `a Alg LB1.
La comparaison men´ee entre les deux algorithmes avec LB montre que l’algorithme Alg LB1 fournit certes un taux de perte inf´erieur `a celui pour Alg LB2 mais cause en contre partie un nombre de handovers plus important.
5 Conclusion
Dans cet article nous avons impl´ement´e dans ns-3 de nouveaux algorithmes d’´equilibrage de charge au niveau des ENodeBs du r´eseau LTE. Nous avons aussi ´evalu´e les performances de ces algorithmes par simulation `a ´ev´ennements discrets pour un sc´enario appropri´e au LB.
L’´evaluation des performances a port´e particuli`erement sur l’´etude de l’impact du LB sur l’´evolution du throughput global moyen, le throurput moyen par secteur, sur le taux de perte, le nombre de HO,... pour diff´erentes charges de trafic. Les r´esultats obtenus ont permis de menet une ´etude comparative entre les r´esultats des simulations avec et sans LB. Cette ´etude nous a permis de mettre en ´evidence les vertus de chaque algorithme et les compromis consid´er´es pour chacun d’eux en termes de throughput, taux de pertes et nombre de handovers. Comme perspectives, nous envisageons de mener des simulations plus exhaussives sur l’optimisation conjointe du MLB et du MRO. Ceci revient `a chercher la valeur optimale du TTT pour une valeur d’hyst´eresis donn´ee correspondant `a une charge donn´ee des cellules. Nous envisageons aussi de mod´eliser de LB en utilisant le processus de d´ecision Markovien. Ceci permettra de trouver les valeurs optimales des diff´erents seuils d’activation, d’acceptation et de d´esactivation de l’algorithme du LB en fonction de la charge. Notre principale contribution dans cet article
est l’impl´ementation d’algorithmes du LB sur ns-3. Nottons que la version la plus r´ecente sur laquelle nous avons travaill´e n’impl´emente pas le LB dans le module LTE du simulateur.
R´ ef´ erences
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